Quantitative and experimental study of investment incentive mechanisms in electricity markets: A short run and long run analysis of actors’ strategies

In this thesis, we deal with the question of reliability of electricity system and particularly the problem of generation capacity adequacy in electricity markets, characterized by uncertain and volatile demand. This question is currently the object of many politics and economics debates in the European Commission of energy. It occurs within the context of deregulations and reforms of liberalization operated in western countries. This deregulation was caused many shortages and crisis in many electricity markets in the world. Failures are caused by several factors such as, the presence of uncertainties on future demand and fuel prices, the risk-averse behavior of investors and the market power exercised by existing generators. They had lead to high spot market prices and a fundamental imbalance between the steadily growing demand for power and the limited increases, due to the lack of investments, in generation capacities. Many mechanisms, additional to the energy market, that ensure an adequate incentive for investments and a stable and socially acceptable electricity prices have been proposed. In this work, we compare different investment incentive mechanisms, in terms of long-term capacity adequacy in an uncertain environment, cost effectiveness and the ability of reducing market power. In the literature, the problem of long- term system reliability has been largely studied in qualitative terms. A few works attempt to model the quantitative effects of those market designs. The contribution of this work is to propose a quantitative analysis based on dynamics models. Competition is considered by using the principles of game theory. Stochastic dynamic programming is used to deal with the stochastic environment of the market and mixed complementarity problem and variational inequality formulations are employed to find Nash equilibrium. In addition to the analytic analysis, an experimental study is carried out in order to include a larger diversity of strategy. The main finding of this thesis is that market-based mechanisms would be the most cost-efficient mechanisms for assuring long-term system adequacy, encouraging earlier and adequate new investments in the system and for reducing market power.
Dans cette thèse, nous traitons la question de la fiabilité du système électrique et notamment le problème d'adéquation des capacités de production d'électricité avec une demande future, qui évolue d'une façon hautement imprévisible. Cette question suscite actuellement des débats économiques et politiques au sein de la commission européenne de l'énergie. Elle s'inscrit dans le contexte de déréglementation et de réformes de libéralisation opérées aux seins de pays occidentaux. Les défaillances qui se sont accompagnées avec cette déréglementation et qui ont provoqué diverses crises ont pour origine l'aversion aux risques des investisseurs, l'incertitude sur la demande future et les prix du carburants et le pouvoir de marché exercé pour les producteurs existants particulièrement en période de tension. Ceci a provoqué d'une part, des prix d'électricité hautement aléatoires et élevés et d'autre part, un manque d'incitations aux nouveaux investissements. Pour y faire face, plusieurs mécanismes additionnels assurant une incitation adéquate aux investissements et une maîtrise des prix d'électricité ont été proposés. Dans ce travail, on compare l'efficacité relative des mécanismes marchands d'incitation aux investissements. L'adéquation des capacités de production dans le long terme constitue le principal critère d'évaluation de ces mécanismes. Par ailleurs l'efficacité en termes de coût et de réduction des manipulations des prix dans les marchés forment deux éléments importants à prendre en considération lors de leur évaluation. Dans la littérature, ces mécanismes ont été traités d'un point de vue purement qualitatif, ce qui limite les enseignements qu'on peut tirer sur l'efficacité de chacun. L'apport de ce travail est de proposer une analyse conduite dans le cadre d'un modèle dynamique numérique. La dimension concurrentielle est prise en compte en mobilisant la théorie des jeux. La résolution du modèle fait appel à la méthode de la programmation dynamique et aux méthodes de problème de complémentarité et de l'inégalité variationnelle. En complément à l'analyse théorique, une étude expérimentale est conduite afin d'intégrer une plus grande diversité de stratégie. Nous concluons de ces recherches que la mise en place d'un mécanisme marchand d'incitation aux investissements est prometteuse. Il permet d'assurer l'adéquation future du système électrique à faible coût et de lutter efficacement contre le problème de pouvoir de marché.